автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка концептуального подхода к обеспечению электромагнитной совместимости бытовых электроприемников

На правах рукописи ЯНЧЕНКО СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПОДХОДА К ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ БЫТОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАЙ 2013

005060671

Москва - 2013 г.

005060671

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Цырук Сергей Александрович

доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизированного электропривода»

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» Остриров Вадим Николаевич

Ведущее предприятие:

кандидат технических наук, ведущий инженер ОАО «Фирма ОРГРЭС» Краснова Анна Николаевна

ООО «Линвит», 105120, г. Москва, Б. Полуярославский пер., д. 18, стр. 3.

Защита состоится 21 июня 2013 года в аудитории М-611 в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «20» мая 2013 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н., доцент

Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Различные инициативы по энергосбережению в нашей стране, такие как Федеральный Закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года», в качестве одной из основных задач ставят создание и внедрение энергоэффективного оборудования, эффективное энергопотребление, применение энергосберегающих технологий. Реализация этих задач среди прочего подразумевает замену устаревших низкоэффективных электроприемников (ЭП) современным оборудованием на базе силовой электроники, обеспечивающей увеличение коэффициента полезного действия (КПД) и срока службы электрооборудования, возможность работы интеллектуальных систем контроля и учета. Таким образом использование электроники для питания и управления ЭП, а именно источников вторичного электропитания (ИВЭ), в настоящее время видится панацеей при решении проблем энергоэффективности.

Большим потенциалом в области энергосбережения обладает жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ). С ростом мегаполисов, развитием городской инфраструктуры, бумом бытовой электроники в сети появился новый тип бытовых электрических нагрузок, характеризующийся распределенностью, малой мощностью входящих в него отдельных ЭП и высоким суммарным электропотреблением. В число этих ЭП входят энергоэффективные электроприборы и бытовая электроника, отличающиеся пониженным электропотреблением за счет применяемых в них ИВЭ.

Однако, несмотря на вышеназванные достоинства и незаменимость при построении схем питания бытовой электроники, ИВЭ имеют серьезный недостаток в виде нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) схемы и эмиссии высших гармонических составляющих (ВГ) входного тока в сеть. Тем самым инициативы по стимулированию использования бытового энергосберегающего оборудования вкупе с высоким насыщением электросетей нагрузками бытозой электроники способствуют росту суммарной нелинейной нагрузки и несинусоидальности напряжения в сетях ЖКХ, приводя к нарушениям КЭ и различным негативным эффектам для сетевого оборудования. В связи с этим возникает необходимость в выявлении «характерных» нелинейных бытовых ЭП, наиболее сильно влияющих на синусоидальность напряжения, а также в анализе эмиссии ВГ их тока под воздействием внешних факторов, таких как уровень несинусоидальности питающего напряжения, количество и состав соседних ЭП.

Цель работы заключается в разработке концептуального подхода к обеспечению электромагнитной совместимости бытовых электроприемников посредством выявления закономерностей эмиссии высших гармонических составляющих тока под действием внешних факторов и дачи рекомендаций по снижению несинусоидальности тока питания группы электроприемников

Основные задачи, решаемые в работе для выполнения поставленной

цели:

1. Анализ номенклатуры бытовых ЭП с целью выявления наиболее важных источников ВГ тока и их типовых схем.

2. Аналитическое моделирование ВГ входного тока обобщенного нелинейного бытового ЭП.

3. Компьютерное моделирование ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП.

4. Анализ влияния искажения напряжения питания и состава группы ЭП на эмиссию ВГ тска с помощью полученных моделей.

Методика исследования состоит в решении вышеперечисленных задач с помощью аппарата теории линейных электрических цепей, в частности классического метода расчета переходных процессов и анализа несинусоидальных режимов. Также были использованы численные методы решения трансцендентных уравнений (при определении параметров интервала проводимости мостового выпрямителя); методы усредненного моделирования высокочастотного режима работы преобразователя (при получении моделей ЭП с активной коррекцией коэффициента мощности). Для аналитических расчетов и компьютерного моделирования использованы программы MathCad и Matlab/Simulink.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:

' 1. Разработана аналитическая модель ВГ входного тока обобщенного нелинейного ЭП, учитывающая несинусоидальность напряжения питания и возможное наличие нескольких интервалов проводимости мостового выпрямителя.

2. Разработаны компьютерные модели ВГ входного тока «характерных» нелинейных бытовых ЭП.

3. Получены распределения векторов ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП.

Практическая значимость работы состоит в предложенных практических рекомендациях по снижению уровня несинусоидальности тока питания совокупностей нелинейных бытовых ЭП посредством выбора электроприборов с противофазными векторами ВГ входного тока. В рамках совместной работы с Техническим Университетом Дрездена, результаты исследований включены в международную базу экспериментальных данных эмиссии ВГ тока бытовых ЭП «Panda - Equipment harmonic database».

Достоверность полученных результатов и предложенных практических рекомендаций подтверждается хорошим соответствием теоретических моделей экспериментальным измерениям, а также возможностью анализа экспериментальных данных с помощью предложенного научного инструментария.

На защиту выносятся следующие положения:

¡.Анализ номенклатуры бытовых ЭП по степени генерируемой ими несинусоидальности.

2. Типовые схемы бытовых нелинейных ЭП и обобщенная модель нелинейного ЭП.

3. Аналитическая модель обобщенной схемы нелинейного ЭП.

4. Компьютерные модели «характерных» нелинейных ЭП.

5. Типовые распределения ВГ входного тока «характерных» нелинейных

ЭП.

6. Анализ эффектов компенсации ВГ тока при совместном питании группы ЭП.

Апробация работы состояла в представлении результатов исследований на научно-технических и международных конференциях и семинарах: «Всероссийская научно-практическая конференция «Федоровские чтения», Москва 2010», «Международная научно-практическая интернет-конференция «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век», Орел 2011», «Международная конференция по вопросам энергетики и экологии 1псо>ШТ БЕСА, Стамбул 2011», «Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения», Казань 2012». В период с октября 2012 по март 2013 состоялась научная стажировка в институте «Электроснабжения и Высоковольтной и Высокотоковой Энергетики» Технического Университета г. Дрезден (1ЕЕН Т1Ю), в рамках которой был проведен анализ международного опыта при решении проблем несинусоидальности бытовых ЭП, состоялось представление результатов исследований немецким коллегам, намечены пункты совместного научного сотрудничества.

Публикации

Научные и практические результаты и основное содержание работы отражены в 8 публикациях и материалах конференций и научно-технических журналах, в том числе в двух статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, утвержденных Высшей Аттестационной Комиссией.

Структура и объем работы.Диссертационная работа изложена на 98 страницах, включая 11 таблиц и 42 иллюстраций. Список использованной литературы включает 79 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 1 приложения. Приложение представлено на 3 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы. Сформулирована цель диссертации, охарактеризована ее структура, показана научная новизна работы и ее практическая ценность, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведена классификация номенклатуры бытовых ЭП по уровню генерируемой ими несинусоидальности тока, проанализирована обобщенная структура бытовых ЭП с ИВЭ, как основных источников высших гармонических составляющих тока среди бытовых ЭП; выделены «характерные» нелинейные ЭП и их типовые схемы.

Исходя из номинальной мощности, частоты и продолжительности включения, характера нагрузки и степени нелинейности ВАХ, совокупность

бытовых ЭП квартиры может быть подразделена на три группы. В первые две группы входят мощные ЭП с резистивной и электродвигательной нагрузкой, характеризующиеся низким уровнем эмиссии ВГ тока. В отличие от них ЭП третьей группы, включающей бытовую электронику и электроосветительные приборы, имеют резко нелинейную ВАХ и высокую долю в суммарном электропотреблении квартиры.

©

Фильтр ЭМП

Мостовой выпрямитель

■м

ккм

Рисунок 1 - Общая структура ЭП с ИВЭ.

Анализ топологий ЭП бытовой электроники и электроосвещения (рисунок 1) в качестве основного источника несинусоидальности в структуре ЭП выявил входной каскад электроприбора, состоящий из мостового выпрямителя, сглаживающего конденсатора и схемы коррекции коэффициента мощности (ККМ) (рисунок 1). Мостовой выпрямитель со сглаживающим конденсатором при своей работе характеризуется импульсной кривой входного тока, содержащей высокие уровни 3-й, 5-й, 7-й и т.д. ВГ тока. Уровень несинусоидальности входного тока нелинейного ЭП также зависит от наличия и типа схемы ККМ, которые подразделяются на пассивные и активные. ЭП без ККМ отличаются повышенным уровнем искажений тока за счет импульсной кривой тока и коэффициентом мощности менее 0.5 и применяются в ЭП освещения и бытовой электроники мощностью ниже 25 Вт и 75 Вт, соответственно. ЭП с пассивной коррекцией коэффициента мощности (ПККМ) для снижения несинусоидальности кривой тока применяют реактивные элементы, тем самым увеличивая максимальный коэффициент мощности до 0.7. Компромиссом этого улучшения является увеличение массогабаритных показателей и потерь в громоздких низкочастотных реактивных элементах коррекции. Схемы с активной коррекцией коэффициента мощности (АККМ) лишены недостатков ПККМ: коэффициент мощности, близкий к 1, и высокий КПД достигаются за счет использования повышающего преобразователя напряжения, формирующего кривую тока в соответствии с входным напряжением, придавая ЭП с АККМ свойства активного сопротивления. Недостатком схем с АККМ является сложность системы управления преобразователя и относительно высокая стоимость.

В качестве «характерных» были выбраны ЭП без схемы ККМ, с ПККМ, с АККМ: КЛЛ без ККМ и с АККМ, светодиодная лампа с ПККМ и ИИП ПК с ПККМ и АККМ; были выявлены наиболее типовые схемы «характерных» ЭП, позволяющие построить модели гармонического спектра входного тока.

Во второй главе предложена аналитическая модель эмиссии ВГ входного тока ЭП с ИВЭ в установившемся режиме, учитывающая зависимость искажения тока от несинусоидальности питающего напряжения, а также наличие нескольких интервалов проводимости мостового выпрямителя.

С учетом повсеместного применения мостового выпрямителя со сглаживающим конденсатором в нелинейных ЭП, а также на основе допущений об установившемся режиме работы ЭП и о возможности замещения преобразователя ЭП эквивалентным активным сопротивлением получена схема обобщенной модели ЭП с ИВЭ (рисунок 2). Эта схема состоит из источника напряжения щ, мостового выпрямителя, сглаживающего конденсатора С/, активного сопротивления нагрузки и некоторой схемы ПККМ, наиболее распространенным вариантом которой является последовательное подключение входной индуктивности Ьс.

со сглаживающим конденсатором.

Процесс моделирования состоит из следующих этапов:

1. определение величины эквивалентного сопротивления нагрузки Я с,

2. получение выражений для тока в индуктивности ¡ь и напряжения на конденсаторе ис с помощью классического метода расчета переходных процессов;

3. определение параметров интервала проводимости выпрямителя численным методом с помощью уравнений, составленных для граничных условий;

4. определение спектра входного тока мостового выпрямителя путем разложения выражения тока в индуктивности ^ в ряд Фурье;

Сопротивление нагрузки определяется следующим образом:

л, = (с-ад2/рном, (1)

где и ос - напряжение на выходе мостового выпрямителя; Рпш - номинальная мощность ЭП; С - коэффициент, зависящий от величины колебательной составляющей сглаженного напряжения на выходе выпрямителя. Работа схемы рисунка 2 характеризуется двумя интервалами:

1. Интервал проводимости диодов, когда соответствующие диоды моста открыты (интервал 1-2 на рисунке 2):

О' = £ < ш < \|/, /;.И) ф 0, мс(ш/)= ит(ш) - - ¡¡Яс- (2)

2. Интервал разрядки конденсатора, когда диоды моста закрыты (интервал 2-3 на рисунке 2):

V < со? < л + к(Ш) = 0, ис{ш) = ^-е-^'-^. (3)

Здесь ^ - угол открытия диодов выпрямителя, у - длительность интервала проводимости. Таким образом, входной ток /ас(со?) является прерывистым и его форма определяется длительностью интервала проводящего состояния диодов О' <со? <\|/.

В результате расчета переходных процессов ток в индуктивности ¡'¿(со?) и напряжение на конденсаторе и^Ш) при 0<ш<у определяются по следующим выражениям

/¿(со/) = /¿ус1.(со/) + /¿пер(со?) = = 1Л0,„8т(и[сог + д +фл -у„) +

+е"5/ш,ш'){-ш/щ08т[и^ (4)

Мс<«»О = МСуст((йО - «¿псР(юО = = зт(и[со/ + ^ + ф„ + р„) |АГ(«ю)! -

-а)/,е"0/а'(и,)[^£„с05{§/(аоБт[сйо/сй-(шг)]- соз[м0/ю-(шг)]} + ю0/т/)15;п51п[(й0/ю'(сй/)]],(5) где 8 и со0 - параметры характеристических корней схемы; £/„,„, (р„ - амплитуда и фазовый угол и-й ВГ напряжения; А0<„, Агпсо-„ - константы, определяемые, исходя из параметров схемы;-|АГ(«га)|, р„ - модуль и аргумент комплексного коэффициента, зависящего от сопротивления схемы.

Параметры интервала проводимости определяются итерационным методом. Сначала для каждого значения £ из предполагаемого промежутка по выражениям (4, 5) рассчитываются интервалы проводимости диодов (1-2) и разрядки конденсатора (1-3). В результате для каждого возможного значения % получают моменты окончания интервалов 1-2 \|/ и 2-3 % и на основе условия об интервале между соседними открытиями диодов, равном я, — % — я) можно выбрать правильные значения % и у интервала проводимости.

В случае наличия т интервалов проводимости, вызванных несинусоидальностью кривой напряжения, входной ток для т-го интервала определяется как:

^(б)

8 '' [0 => \\1т < ш/ < я -

где А^.1 - момент начала т-го интервала проводимости. Разложение входного тока ig мостового выпрямителя в комплексный ряд Фурье:

т -^ТС

е^'ск,

(7)

Таблица 1 - Параметры обобщенной модели монитора ПК при питании несинусоидальным напряжением.

Входные параметры Интервал проводимости

Р* Вт ¿с, мГн с, мкФ Дл, Ом Я-с, Ом рад рад дь рад ¥2» рад

33 1 60 3091 7 1.295 0.31 0.48 0.58

Спектр ВГ тока монитора, % от осн.

3 5 7 9 11 13

Эксперимент 95.5 90.5 84.8 79.6 74. 9 69.8

Обобщ. модель 97.7 93.6 88.3 82.4 76.1 69.3

В качестве иллюстрации универсальности обобщенной

модели, описывающей различные ЭП бытовой электроники, была рассчитана (таблица 1) и сопоставлена с данными измерений кривая входного тока монитора ПК при .несинусоидальном напряжении (рисунок 3).

В третьей главе проведено компьютерное моделирование в программе Ма11аЬ/8тиНпк

«характерных» нелинейных ЭП, относящихся к трем основным типам входного каскада

электроприбора с ИВЭ, исходя из наличия схемы ККМ. Предложены обобщенные 81шиНпк-модели КЛЛ 11 Вт и 24 Вт без ККМ, КЛЛ 30 Вт с АККМ, светодиодной лампы 3.5 Вт с 1ЖКМ, ПИП ПК 340 Вт с ПККМ и ИИП ПК 500 Вт с АККМ, которые затем были сопоставлены с экспериментальными данными при питании синусоидальным и искаженным напряжением.

В отличие от фиксированного алгоритма аналитического моделирования компьютерные методы предоставляют возможность быстрого изменения моделируемой схемы, тем самым учитывая индивидуальные особенности конкретного ЭП. Единственной сложностью при моделировании несинусоидальности тока конкретного ЭП является невозможность точно определить топологию и параметры элементов схемы, не разбирая ЭП, поэтому процесс моделирования часто напоминает итерационную последовательность изменения параметра и наблюдения его эффекта на спектр тока.

Обобщенная модель КЛЛ 11 Вт и 24 Вт без ККМ состоит из включенного в фазу токоограничивающего резистора, мостового выпрямителя, сглаживающего конденсатора и эквивалентного активного сопротивления нагрузки, которое замещает преобразовательную часть КЛЛ и рассчитывается по формуле (1). Сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования приведено на рисунке 4.

/1 К 1 \ — измер.ток | ..... модел. ток \ - пит. нагтр-е I. \

/ - * - 1

0 002 0 004 о.оое 0.003 0 01 0 012* 0 014 0 016 0.018 *0 02 1. С

Рисунок 3 - Сравнение экспериментальных и моделируемых кривых входного тока монитора ПК.

Пит. напряжение Экспер. ток Моделир. ток

Пит. напряжение Экспер. так Моделир. ток

0 0.002 0.004 О.ОШ 0.008 0.01 0.012 0.014 0.018 0.018 0,02 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 1С 1С

Рисунок 4 - Сравнение результатов моделирования и экспериментальных измерений для КЛЛ 11 Вт при синусоидальном и несинусоидальиом напряжениях.

Обобщенная модель ИИП ПК 340 Вт с ПККМ представляет собой мостовой выпрямитель со сглаживающим конденсатором и активным сопротивлением в качестве нагрузки, на вход которого подключена индуктивность. Сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования приведено на рисунке 5.

Пит. напр-е Экспер.ток Ток из Simuünk

Пит. напряжение 'Измер. ток ■Моделир. ток

К1егг=3.9% 13егг=5.4% 111егр=0.9% 113егт=0.9%

К|егг = 4.8% 13егг = 5.3% И 1егг = 2.6% 113егг = 4.3%

О 003 С 004" 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.018 0.018 0.02 0 0.ГЮ2 0 004 О.Мв 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

t,c t, С

Рисунок 5 - Сравнение результатов моделирования в Simulink, обобщенной модели ЭП и экспериментальных измерений для ИИП ПК 350Вт с ПККМ и нагрузкой 50Вт при синусоидальном и несинусоидальном напряжениях.

Обобщенная модель светодиодной лампы (СС) представляет собой схему мостового выпрямителя со сглаживающим конденсатором и активным сопротивлением, которая питается от включенного в фазу конденсатора.

Пит. напряжение 'Экспер. так Модел. ток_

Пит. напряжение Экспер. ток Моделир. ток

Klerr =3.7% 13егг = 3.6% I5err = 5.7% !7еп"= 3.0%

Рисунок 6 - Сравнение моделирования и экспериментальных результатов для СС 3.5Вт с ПККМ при синусоидальном и несинусоидальном напряжениях,

В результате увеличивается интервал проводимости, тем самым снижая искажения тока, но одновременно за счет емкости на входе еоБф становится меньше 0.1. Сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования приведено на рисунке 6.

series RLCl Currentl

Universal Bridgez

Рисунок 7 - втиНпк-модель КЛЛ 30Вт с АККМ.

Обобщенная модель ЭП с АККМ состоит из мостового выпрямителя, повышающего преобразователя, выходного сглаживающего конденсатора, эквивалентного сопротивления нагрузки и системы управления.

0.002 0.Ш4 0 006 0.01

001 0.012 0.014 0.016 0.010 0.С t,C

Рисунок 8 - Сравнение результатов моделирования и экспериментальных измерении для КЛЛ 30Вт с АККМ при синусоидальном и несинусоидальном напряжениях.

Повышающий преобразователь моделируется зависимыми источниками тока и напряжения, сигнал управления которыми определяется отклонением выходного напряжения и формой напряжения питания. Регулирование спектра входного тока осуществляется с помощью передаточных функций контроллеров по напряжению и току. Сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования КЛЛ 30 Вт с АККМ приведено на рисунке 8.

Для оценки достоверности БшшНпк-моделей «характерных» нелинейных ЭП при описании совместной работы группы электроприборов был получен ток питания при одновременном подключении КЛЛ 11 Вт и КЛЛ 24 Вт без ККМ,

КЛЛ 30 Вт с АККМ и ИИП ПК 340 Вт с ПККМ. Сравнение экспериментальных

Рисунок 9 - Сравнение результатов моделирования и экспериментальных измерений для группы разнотипных ЭП при синусоидальном и несинусоидальном напряжениях.

В четвертой главе получены распределения векторов ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП, исследованы эффекты компенсации ВГ тока при питании различных групп электроприборов, даны практические рекомендации по снижению несинусоидальности тока питания совокупности

3-я ВГ тока 5-я ВГ тока 7-я ВГ тока

Рисунок ]0 - Сигнатуры 3-й ВГ тока при изменении амплитуды (черн.) и фазового угла (сер.) 3-й ВГ напряжения (1 - КЛЛ без ККМ; 2 - КЛЛ с АККМ; 3 - СС с ПККМ; ИИП ПК с ПККМ) (приведенные к единому масштабу).

Для каждого «характерного» нелинейного ЭП построен индивидуальный график распределения концов векторов ВГ тока в зависимости от несинусоидальности напряжения, так называемая сигнатура ВГ, характеризующая реакцию векторов ВГ тока на изменение амплитуды и фазового угла отдельных ВГ напряжения (рисунок 10). Питание группы разнотипных ЭП может сопровождаться компенсацией ВГ тока за счет разброса фазовых углов ВГ тока отдельных электроприборов. Данное явление характеризуется с помощью коэффициента неоднородности, равного отношению векторной и алгебраической сумм ВГ тока от каждого ЭП:

ок =

N

м

Л'

ж

(8)

где /„' - вектор п-й ВГ тока от /-го ЭП; ТУ- число подключенных ЭП. Эффект неоднородности исследован для двух групп бытовых ЭП: разнотипной, состоящей из двух КЛЛ без ККМ, КЛЛ с АККМ и ИИП ПК с ПККМ (рисунок 11), и однотипной, включающей КЛЛ различной мощности (рисунок 12). В случае совместного питания разнотипных ЭП компенсация ВГ тока-низких порядков (3-я, 5-я ВГ) может достигать 60%. При питании совокупности КЛЛ эффект неоднородности практически не проявляется.

йРп-1

0,8 0,6 0,4 ¡0,2

КЛЛ 11 ВтбезККМ КЛЛ11Вт + 24Вт без ККМ

< 3-я "в--5-я

КЛЛ 11 Вт+ 24 Вт без ККМ + 30 Вт с

АККМ —вг"7-я -х--15-я

КЛЛ 11 Вт+ 24 Вт без ККМ + 30 Вт с АККМ + ИИП ПК 340 Вт с ПККМ

Рисунок 11 - Зависимость коэффициента неоднородности ВГ тока от состава ЭП в

случае питания смешанной нагрузки.

ОЕп----------------------»---------------

1 +-------

0,8 1--------

0,6

КЛЛ 7Вт

КЛЛ 7Вт + 9Вт

КЛЛ 7Вт + 9Вт+11Вт

•3-я

КЛЛ 7Вт + 9Вт+11Вт +

КЛЛ 7 Вт +

9Вт+11Вт +

,,15Вт+20Вт 15-я

КЛЛ 7 Вт + 9Вт+11Вт + 15Вт+20Вт + 24 Вт

Рисунок 12 - Зависимость коэффициента неоднородности ВГ тока от состава ЭП в случае питания однотипной нагрузки.

Практическое применение эффекта неоднородности для снижения несинусоидальности тока продемонстрировано на примере компенсации ВГ тока питания квартиры в интервале вечернего максимума при замене ламп накаливания (ЛН) на КЛЛ.

квартиры в течение вечернего максимума в случае подключения ЛН (светлые линии точки) и КЛЛ (темные линии и точки).

При замене 2-х ЛН 40 Вт на 4 КЛЛ 20 Вт кривая тока питания, ранее имевшая один пик (серые линии) становится двухпиковой (черные линии), тем самым расширяя импульс тока и снижая степень его искажения. Из распределения векторов ВГ тока питания квартиры до и после замены ЛН на КЛЛ (рисунок 13) видно, что это снижение происходит за счет компенсации тока 5-й ВГ - с 35% до 20% от основной гармоники.

Компенсация ВГ тока от неоднородности фазовых углов различных ЭП максимальна:

1. при совместном подключении ЭП с противоположными сигнатурами. Подобной «совместимостью» характеризуются:

для 3-й ВГ тока - ИИП ПК с ПККМ и СС с ПККМ;

для 5-й ВГ тока - КЛЛ с АККМ и СС с ПККМ, КЛЛ без ККМ и ИИП ПК с ПККМ;

для 7-й ВГ тока - КЛЛ без ККМ и с АККМ;

2. при высокой вероятности одновременной работы ЭП с «противоположными» сигнатурами. Это может быть обеспечено:

- установкой энергосберегающего освещения, КЛЛ или СС, в одной комнате с телевизором или компьютером для обеспечения совместного включения в период вечернего максимума нагрузок квартиры и снижения уровней 5-й или 3-й ВГ тока;

- диверсификацией типов осветительных ЭП за счет совместного использования КЛЛ различной мощности (менее 25 Вт без ККМ и более 25 Вт с АККМ) или включения КЛЛ и светодиодных ламп;

- совмещением питания нагрузок розеточной и осветительной сетей офисных зданий, тем самым суммируя токи ВГ и снижая несинусоидальность тока на уровне ЭП, а не на секциях вводно-распределительного устройства при раздельном питании щитов освещения и розеточной сети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой проанализировано влияние внешних факторов на уровень несинусоидальности бытовых нелинейных ЭП и даны практические рекомендации по экономически выгодной минимизации эмиссии ВГ тока от группы бытовых электроприборов.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. В результате проведенного обзора номенклатуры бытовых электроприемников выявлены электроприборы, «характерные» с точки зрения их вклада в общую несинусоидальность напряжения сети. Для каждого из «характерных» нелинейных бытовых электроприемников определены типовые электрические схемы.

2. Предложена аналитическая модель обобщенного нелинейного электроприемника, учитывающая влияние несинусоидальности напряжения питания на спектр высших гармонических составляющих тока и позволяющая рассчитывать уровень искажений входного тока для большинства электроприемников освещения и бытовой электроники.

3. Построены точные Simulink-модели «характерных» нелинейных электроприемников, позволяющие анализировать эмиссию высших гармонических составляющих тока как отдельного нелинейного электроприбора при питании напряжением с произвольным гармоническим составом, так и крупных групп нелинейных электроприемников при расчете режимов электросетей.

4. Для всех «характерных» нелинейных бытовых электроприемников получены индивидуальные распределения векторов высших гармонических составляющих входного тока, так называемые сигнатуры, характеризующиеся стабильным положением независимо от уровня искажений напряжения питания.

5. Исследоьаны эффекты компенсации высших гармонических составляющих тока питания совокупности разнотипных нелинейных электроприемников. На основе сигнатур высших гармоник входного тока «характерных» нелинейных электроприемников предложен метод снижения несинусоидальности тока питания группы электроприборов путем подключения электроприемника с противоположной сигнатурой.

6. По результатам анализа эффектов компенсации несинусоидальности тока при совместной работе групп электроприемников даны рекомендации по снижению уровня искажений для «характерных» нелинейных электроприемников.

7. Результаты описываемых исследований были включены в международную базу экспериментальных данных эмиссии ВГ тока бытовых ЭП «Panda - Equipment harmonic database» в рамках совместной работы с Техническим Университетом г. Дрезден.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Цырук С. А., Янченко С. А. Гармонический анализ нелинейных электроприемников офисных центров // Промышленная энергетика №3 2012.-с. 54-62.

2. Анчарова Т.В., Бодрухина С.С., Цырук С.А., Янченко С.А. Оценка влияния эмиссии высших гармонических составляющих напряжения и тока от бытовых электроприемников на питающую сеть // Промышленная энергетика №9 2012. - с. 36 - 43.

3. Цырук С.А., Янченко С.А. Анализ номенклатуры бытовых электроприборов с точки зрения степени их помехоэмиссии в сеть // 17-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и электроэнергетика», февраль 2011. - с. 175 -177.

4. Tsyruk S.A., Yanchenko S.A. "Analysis of harmonic distortion injected by personal computers" // 17th Energy and Environment Conference ICCI 2011, June 15-17, 2011, Istanbul, Turkey, -pp. 151 - 157.

5. Анчарова T.B., Бодрухина C.C., Цырук C.A., Янченко С.А. Несинусоидальность кривых напряжения и тока питания компьютерного оборудования // XL всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи Федоровские чтения 2010, 16-19 ноября, Москва. - с. 73 - 75.

6. Tsyruk S.A., Yanchenko S.A. "Analysis of electromagnetic intereference generated by household electronic devices" // ARSA-2012 - Virtual International Conference on Advanced Research in Scientific Fields, - pp. 381 -384.

7. Цырук C.A., Янченко С.А. Моделирование несинусоидального влияния на сеть компьютерной нагрузки // Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Томск 2011. — с. 162 — 163.

8. Tsyruk S.A., Yanchenko S.A. "A survey on the main probabilistic modeling methods of harmonics in power systems" // Science and education materials of the II international research and practice conference, Munich, December 2012. - pp. 233 -235.

Подписано в печать 16, Off ША Г Зак. 19f Тир. №0 П.л. Ю Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

04201357902

Янченко Сергей Александрович

РАЗРАБОТКА КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПОДХОДА К ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ БЫТОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ

05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доц. Цырук С.А.

Москва 2013

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

ЭП - Электроприемник

ИВЭ - Источник вторичного электропитания

ВГ - Высшие гармонические составляющие

КПД - Коэффициент полезного действия

ЖКХ - Жилищно-коммунальное хозяйство

КЭ - Качество электроэнергии

ЭЭ - Электроэнергия

ВЧ - высокочастотный

НЧ - низкочастотный

ЭМП - Электромагнитная помеха

ВАХ - Вольт-амперная характеристика

ЛН - Лампа накаливания

КЛЛ - Компактная люминесцентная лампа

ЭПРА - Электронная пускорегулирующая аппаратура

СС - светодиодный светильник

ИИП - Импульсный источник питания

ПК - Персональный компьютер

ТВ - Телевизор

ККМ - Коррекция коэффициента мощности ПККМ - Пассивная коррекция коэффициента мощности АККМ - Активная коррекция коэффициента мощности ШИМ - Широтно-импульсная модуляция

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...........................................................................................................................5

1. Теоретические исследования номенклатуры бытовых электроприемников по уровням генерируемой несинусоидальности входного тока....................................11

1.1 Классификация бытовых электроприемников..................................................11

1.2 Общая структура бытовых электроприемников с источниками вторичного электропитания...........................................................................................................16

1.3 Мостовой выпрямитель.......................................................................................18

1.4 Схемы коррекции коэффициента мощности.....................................................21

1.5 Топологии силовой части бытовых электроприемников с источниками вторичного электропитания......................................................................................27

1.6 Анализ результатов и выводы по 1-й главе.......................................................32

2 Аналитическое моделирование гармонического спектра входного тока бытовых электроприемников с источником вторичного электропитания..............................34

2.1 Обобщенная модель бытового электроприемника с источником вторичного электропитания...........................................................................................................34

2.2 Методика моделирования нагрузок с мостовым выпрямителем....................35

2.3 Выбор и обоснование метода моделирования электроприемников с мостовым выпрямителем...........................................................................................37

2.4 Описание модели мостового выпрямителя со сглаживающим конденсатором ......................................................................................................................................38

2.5 Определение тока в индуктивности и напряжения на конденсаторе мостового выпрямителя со сглаживающим конденсатором.................................39

2.6 Анализ результатов и выводы по 2-й главе.......................................................49

3 Компьютерное моделирование гармонического спектра входного тока «характерных» нелинейных электроприемников......................................................50

3.1 Обоснование необходимости и методика проведения компьютерного моделирования входного тока «характерных» нелинейных бытовых электроприемников....................................................................................................50

3.2 Моделирование электроприемников без схемы коррекции коэффициента мощности.....................................................................................................................52

3.3 Моделирование электроприемников со схемой пассивной коррекции коэффициента мощности...........................................................................................55

3.4 Моделирование электроприемников со схемой активной коррекции коэффициента мощности...........................................................................................59

3.5 Моделирование групповых нагрузок.................................................................66

3.6 Анализ результатов и выводы по 3-й главе.......................................................68

4 Анализ влияния несинусоидальности напряжения питания на гармонический состав входного тока ЭП...............................................................................................69

4.1 Типовые спектры высших гармонических составляющих входного тока «характерных» нелинейных электроприемников...................................................69

4.2 Эффекты ослабления и неоднородности при питании совокупности нелинейных ЭП...........................................................................................................73

4.3 Анализ тока питания бытовых электроприемников квартиры........................77

4.4 Анализ результатов и выводы по 4-й главе.......................................................81

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................84

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................................86

ПРИЛОЖЕНИЕ А..........................................................................................................94

ВВЕДЕНИЕ

Различные инициативы по энергосбережению в нашей стране, такие как Федеральный Закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года», в качестве одной из основных своих задач ставят создание и внедрение энергоэффективного оборудования, эффективное энергопотребление, применение энергосберегающих технологий [1, 2]. Реализация этих задач среди прочего подразумевает замену устаревших низкоэффективных электроприемников (ЭП) современным оборудованием на базе силовой электроники. Повсеместное внедрение электроники, увеличивающей коэффициент полезного действия (КПД) и срок службы электрооборудования, обеспечивающей работу интеллектуальных систем контроля и учета, предоставляющей новые возможности по использованию электрооборудования, в настоящее время видится панацеей при решении проблем энергоэффективности. В качестве иллюстрации неоспоримых достоинств силовой электроники при энергосбережении может быть использован частотно-регулируемый привод, который приходит на смену традиционным двигателям постоянного тока во многих областях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ). Применяемый в нем преобразователь частоты осуществляет плавное регулирование скорости вращения электродвигателя, тем самым экономя электроэнергию (ЭЭ), уменьшая износ оборудования, предоставляя возможности точного регулирования по произвольному контролируемому параметру (например, при подключении к датчику давления или температуры). Эффективное промышленное электропотребление при механической, термической или гальванической обработке материалов, сварке обеспечивается в том числе и с помощью оборудования силовой электроники.

Большим потенциалом в области энергосбережения и повышения

энергоэффективности обладает ЖКХ. Промышленное электропотребление

традиционно определяло режим работы сети в нашей стране, в то время как доля

бытового была крайне мала из-за ограниченной номенклатуры и небольшой

суммарной мощности квартирных ЭП. Однако с ростом мегаполисов, развитием

5

городской инфраструктуры (например, офисных и торговых центров), бумом бытовой электроники в сети появился новый тип бытовых электрических нагрузок, характеризующийся распределенностью, малой мощностью входящих в него отдельных ЭП и высоким суммарным электропотреблением. Такой нагрузкой, например, является электроосвещение, состоящее из ЭП мощностью в десятки ватт и в то же время формирующее около 14% электропотребления России. Аналогично промышленности в число мер по бытовому энергосбережению входит стимулирование использования населением энергоэффективных ЭП: в случае освещения существует государственная инициатива по замене бытовых ламп накаливания (ЛН) компактными люминесцентными лампами (КЛЛ) или светодиодными лампами. За счет применяемых в них источников вторичного электропитания (ИВЭ), создающих наиболее благоприятные условия для нагрузки, значительно снижается электропотребление ЭП, улучшаются рабочие характеристики, повышается КПД. Это же справедливо для более эффективных по сравнению с обычными инверторных холодильников и индукционных плит.

Таким образом, переход на энергосберегающее бытовое электрооборудование подразумевает использование ЭП с ИВЭ. Рост числа ЭП с ИВЭ также объясняется увеличивающейся долей в электропотреблении и разнообразием бытовой электроники. Работа персональных компьютеров (ПК), телевизоров (ТВ), зарядных устройств для мобильных электронных устройств возможна только при стабилизированном сигнале питания конкретной формы, который обеспечивает ИВЭ.

Однако, несмотря на вышеназванные достоинства и незаменимость при

построении схем питания энергоэффективного оборудования и бытовой

электроники, ИВЭ имеют серьезный недостаток в виде нелинейности вольт-

амперной характеристики (ВАХ) схемы. Работая в ключевом режиме,

необходимом для преобразования сетевого напряжения, схема ИВЭ

характеризуется зависимой от времени величиной входного сопротивления, а

значит искажением кривой входного тока по сравнению с синусоидальным

6

напряжением питания. Так, типичный суммарный коэффициент гармонических составляющих тока К/ для КЛЛ мощностью ниже 25 Вт составляет около 100%, аналогичный показатель для ТВ мощностью ниже 75 Вт может достигать 200% [3], что при известных инициативах по энергосбережению и настоящем уровне насыщения электросетей бытовой электроникой может вызывать проблемы в обеспечении качества электроэнергии (КЭ) [4]. Протекая по сопротивлению питающей линии, высшие гармонические составляющие (ВГ) входного тока ЭП создают несинусоидальное падение напряжения, которое в результате искажает напряжение питания. Превышение напряжением норм несинусоидальности чревато дополнительными потерями и износом оборудования электросети, а также появлением на частотах ВГ резонансов, сопровождающихся сверхтоками и перенапряжениями [5].

Проблемы несинусоидальности актуальны и для промышленного оборудования с использованием силовых электронных схем: мощных выпрямителей и инверторов, - однако в случае промышленного ЭП большой мощности несинусоидальность входного тока может быть устранена, например, с помощью фильтров ВГ, в то время как ВГ тока большого числа разрозненных маломощных и резко нелинейных бытовых ЭП экономически целесообразно компенсировать только в точке общего присоединения, где ток достаточно велик, а это означает нарушение норм КЭ в местах подключения отдельных ЭП. Поэтому общепринятый подход к решению проблемы несинусоидальности входного тока бытовых нелинейных ЭП заключается в снижении эмиссии ВГ до некоторого приемлемого уровня с помощью схемных решений в рамках отдельных ЭП.

С учетом всего вышесказанного актуальность данной работы заключается в следующем:

Настоящие инициативы по стимулированию использования бытового

энергосберегающего оборудования вкупе с высоким насыщением электросетей

нагрузками бытовой электроники способствуют росту доли суммарной

нелинейной нагрузки в электропотреблении ЖКХ. Если учесть возможное

7

внедрение технологий нетрадиционных возобновляемых источников энергии и оборудования зарядки электромобилей, становится понятно, что этот рост нелинейных нагрузок неизбежен, сопровождается повышением несинусоидальности напряжения питания и может приводить к нарушениям КЭ и различным негативным эффектам для электросети.

В связи с этим возникает необходимость в выявлении и анализе эмиссии ВГ тока бытовых нелинейных ЭП под воздействием внешних факторов, таких как уровень несинусоидальности питающего напряжения, количество и состав соседних ЭП, параметры системы электроснабжения.

Идея работы состоит в анализе влияния внешних факторов на уровень несинусоидальности входного тока нелинейных бытовых ЭП.

Цель работы: разработка концептуального подхода к обеспечению электромагнитной совместимости бытовых электроприемников

Объект исследования: эмиссия ВГ входного тока нелинейных бытовых ЭП Предмет исследования: взаимосвязь ВГ входного тока нелинейных бытовых ЭП с параметрами электрической сети и несинусоидальностью питающего напряжения

Задачи исследования:

1. Анализ номенклатуры бытовых ЭП с целью выявления наиболее важных источников ВГ тока и их типовых схем.

2. Аналитическое моделирование ВГ входного тока обобщенного нелинейного бытового ЭП.

3. Компьютерное моделирование ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП.

4. Анализ влияния искажения напряжения питания и состава группы ЭП на эмиссию ВГ тока с помощью полученных моделей.

Методика исследования состоит в решении вышеперечисленных задач с

помощью аппарата теории линейных электрических цепей, в частности

классического метода расчета переходных процессов и анализа

несинусоидальных режимов. Также были использованы математические

8

численные методы решения трансцендентных уравнений (при определении параметров интервала проводимости мостового выпрямителя); методы усредненного моделирования высокочастотного режима работы преобразователя (при получении моделей ЭП с активной коррекцией коэффициента мощности). Для аналитических расчетов и компьютерного моделирования использованы программы MathCad и Matlab/Simulink.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана аналитическая модель ВГ входного тока обобщенного нелинейного ЭП, учитывающая несинусоидальность напряжения питания и возможное наличие нескольких интервалов проводимости мостового выпрямителя.

2. Разработаны компьютерные модели ВГ входного тока «характерных» нелинейных бытовых ЭП.

3. Получены распределения векторов ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП.

Практическая значимость полученных результатов состоит в предложенных рекомендациях по снижению ВГ тока группы ЭП посредством выбора типа входящих в нее электроприборов. Разработанные аналитические и компьютерные модели могут быть использованы для расчета несинусоидального режима сети, формируемого совокупностью бытовых ЭП. Результаты исследований включены в международную базу экспериментальных данных эмиссии ВГ тока бытовых ЭП «Panda - Equipment harmonic database» [6] в рамках совместной работы с Техническим Университетом г. Дрезден.

Достоверность полученных результатов и предложенных практических рекомендаций подтверждается хорошим соответствием теоретических моделей экспериментальным измерениям, а также возможностью анализа экспериментальных данных с помощью предложенного научного инструментария.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Анализ номенклатуры бытовых ЭП по степени генерируемой ими

несинусоидальности.

2. Типовые схемы бытовых нелинейных ЭП и обобщенная модель

нелинейного ЭП.

3. Аналитическая модель обобщенной схемы нелинейного ЭП.

4. Компьютерные модели «характерных» нелинейных ЭП.

5. Типовые распределения ВГ входного тока «характерных» нелинейных ЭП.

6. Анализ эффектов компенсации ВГ тока при совместном питании группы

ЭП.

Апробация работы состояла в представлении результатов исследований на научно-технических и международных конференциях и семинарах: «Всероссийская научно-практическая конференция «Федоровские чтения», Москва 2010», «Международная научно-практическая интернет-конференция «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век», Орел 2011», «Международная конференция по вопросам энергетики и экологии 1псоНЕТ ЕЕСА, Стамбул 2011», «Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения», Казань 2012». В период с октября 2012 по март 2013 состоялась научная стажировка в институте «Электроснабжения и Высоковольтной и Высокотоковой Энергетики» Технического Университета г. Дрезден (1ЕЕН Т1Ю), в рамках которой был проведен анализ международного опыта при решении проблем несинусоидальности бытовых ЭП, намечены пункты совместного научного сотрудничества.

Результаты исследований опубликованы в двух статьях в журнале «Промышленная Энергетика».

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников из 79 наименований и одного приложения. Работа изложена на 98 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка и 11 таблиц.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НОМЕНКЛАТУРЫ БЫТОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ ПО УРОВНЯМ ГЕНЕРИРУЕМОЙ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ ВХОДНОГО ТОКА

1.1 Классификация бытовых электроприемников

Однофазные бытовые ЭП характеризуются следующими свойствами (см. таблицу 1.1):

- номинальной мощностью, меняющейся в диапазоне от десятков ватт до нескольких киловатт, соответственно для музыкального центра и электроплиты;

- характером нагрузки, например, резистивным нагревом чайника или излучением газового разряда КЛЛ;

- частотой использования - каждый день для ТВ и раз в неделю для пылесоса;

- продолжител